一种射频体声波滤波器的版图设计与仿真

第8卷 第6期信息与电子工程Vo1．8，No．6 2010年12月INFORMATION AND ELECTRONIC ENGINEERING Dec．，2010文章编号：1672-2892(2010)06-0712-05一种射频体声波滤波器的版图设计与仿真顾 立，钟 毅(武汉理工大学信息工程学院，湖北武汉 430070)摘要：射频体声波滤波器品质因子高，尺寸小，其性能已超过声表面波滤波器，将其替代传统的射频滤波器极具性能和价格优势。

本文建立了适用于体声波滤波器性能分析的巴特沃斯—范戴克(MBVD)模型，采用梯形级联方式设计了一种射频体声波滤波器的版图。

在此基础上以中心频率为1.99GHz，带宽56MHz的体声波滤波器为例，对不同连接级数梯形滤波器的插入损耗、阻带抑制进行了仿真与分析讨论，在4阶滤波器中其带外衰减达到了-29.708dB。

采用微机电机械系统工艺制备的2阶和3阶滤波器传输特性的测试曲线与仿真结果基本吻合，表明射频体声波滤波器具有广泛的应用前景。

该模拟结果可作为射频体声波滤波器设计的一个重要参考。

关键词：体声波滤波器；梯形滤波器；通信系统；频率特性中图分类号：TN713 文献标识码：ALayout design and simulation of a radio frequency bulk acoustic wave filterGU Li，ZHONG Yi(School of Information Engineering，Wuhan University of Technology，Wuhan Hubei 430070，China)Abstract：Bulk acoustic wave filter fabricated by Complementary Metal Oxide Semiconductor(CMOS) is of high-quality factor and small size，which is better than Surface Acoustic Wave(SAW) Bulk acousticwave filters. It has been used to take the place of conventional Radio Frequency(RF) filters for itsoutstanding performance and price advantage. The Modified Butterworth-Van Dyke(MBVD) model wasbuilt to analyze the frequency response of bulk acoustic wave filters. A kind of ladder RF bulk acousticwave filter layout was designed. Based on the layout of the filter，the frequency characteristics of thevaried ladder filters centering on 1.99GHz with bandwidth 56MHz were simulated by MBVD model andthe out band attention of 4-order filter was about -29.708dB. The tested transmission characteristics of2-order and 3-order ladder filters fabricated by Micro Electro Mechanical Systems(MEMS) agreed well tothe simulation results which indicated the broad application. The simulation results can provide areference for designing the bulk acoustic wave filter.Key words：bulk acoustic wave filter；ladder filter；communication system；frequency characteristics随着无线通信技术，特别是第3代通信系统和蓝牙技术的快速发展，主流通信频段日益拥挤，这就需要更多的通信信道满足不断增加的通信用户，而这些信道必须具有较小的带宽[1]。

写一篇用ads进行微波射频滤波器设计与仿真的实验心得ADS在微波射频滤波器设计与仿真中的应用心得进入实验室，我首次接触到了使用ADS（Advanced Design System）进行微波射频滤波器的设计与仿真。

微波射频技术是电子通信领域的核心技术之一，而滤波器则是其中的关键部件，用于筛选和过滤特定频率的信号。

为了更深入地理解这一技术，并探索滤波器的设计奥妙，我参与了这次富有挑战性的实验。

实验过程中，我首先学习了ADS软件的基本操作和设计原理。

通过模拟不同的滤波器结构，如带通、带阻等，我逐渐感受到了滤波器设计的复杂性和精确性。

在仿真环节，我不断调整滤波器的参数，如中心频率、带宽等，以观察其对信号频谱的影响。

随着数据的不断变化，我意识到设计的每一步都需谨慎思考和精确计算。

当然，实验过程并非一帆风顺。

在初次设计时，我曾因为参数设置不当导致仿真结果偏离预期。

正是这些小挫折，使我更加深刻地认识到了理论学习和实际操作之间的紧密联系。

每当遇到问题时，我都会回顾相关理论知识，或向导师和同伴请教，从而找到解决问题的方法。

这次实验让我体会到了科研工作的严谨性和探索性。

通过ADS进行微波射频滤波器设计与仿真，我不仅学会了如何使用专业软件进行科研工作，更加深入地理解了滤波器的工作原理和设计方法。

同时，我也明白了理论知识和实践操作相辅相成
的重要性。

展望未来，我希望能够进一步深入研究微波射频技术，探索更多的滤波器设计方法，并应用到实际工程中。

我相信，随着技术的不断进步和自身的不懈努力，我将能够在这一领域取得更加卓越的成果。

射频滤波器的设计与仿真摘要射频滤波器，主要用于电子设备、频率高工作更大的衰减高频电子设备产生的干扰信号。

射频滤波器是最基本射频设备。

能够由微带线组成，也能够由电阻,电容等组成。

由实践可知，很多射频系统中的元件不存在准确频率选择性，因此往往需要添加滤波器，用来极其准确地完成设定的选择特性，所以对射频滤波器的设计有重要的意义。

在射频有源电路的各级之间都可以借助滤波器对射频信号进行隔离、选择或是重新组合。

在设计模拟电路时，需要对高频信号在特定频率或频段内的频率分量做放大或衰减处理。

这是十分重要的任务，因此本文将重点研究如何设计和实现这个任务的射频电路——射频滤波器。

关键词：射频，微波滤波器，微带线，workbench ,Advanced Design System；The design and simulation of radio frequency filtersABSTRACTRf filter, mainly used in electronic devices, high frequency work greater interference signal attenuation of high frequency electronic device. Rf filter is the most basic radio frequency devices. Can consist of microstrip line, also can by resistance, capacitance, etc.The practice shows that a lot of rf components do not exist in the system accurate frequency selective, so often need to add the filter, used extremely accurately complete set of selected features, so the design of rf filter has an important significance. Between active rf circuit at all levels can use filter to segregate, choice or rearrange the rf signal.In analog circuit design, the need for high frequency signal at a particular frequency or frequency component in the spectrum for amplification or decay process. It is very important task, so this article will focus on how to design and implement the task of rf circuit, rf filter. Keywords: R f, Microwave filter, Microstrip line, The workbench; ADS;目录第一章绪论 (1)1.1 课题研究的背景及意义 (1)1.2 国内外滤波器的研究现状及发展趋势 (2)1.2.1 国内外滤波器的发展现状 (2)1.3 论文组织 (3)第二章射频滤波器 (4)2.1 滤波器的分类 (4)2.2 滤波器的主要参数 (4)2.3 滤波器的综合设计和分析方法 (6)2.3.1 综合设计方法 (6)2.3.2 分析方法 (7)2.4 常见的射频滤波器 (7)第三章 worhbench设计与仿真 (9)3.1 workbench软件介绍 (9)3.2 模拟带通滤波器设计 (9)3.2.1 设计目的 (9)3.2.2 设计要求 (9)3.3滤波器的设计原理及组件选择 (9)3.3.1 滤波器介绍 (9)3.3.2 有源滤波器的设计 (10)3.3.3 滤波器类型的选择分析 (10)3.3.4 741运算放大器 (12)3.4.workbench电路仿真设计 (13)3.4.1 仿真电路图： (13)第四章微带滤波器的设计与仿真 (16)4.1微带线 (16)4.1.1 微带线传输的主模 (16)4.1.2 微带线的特性参量 (16)4.2耦合微带线 (16)4.3微波谐振器 (18)4.3.1 微波谐振器的基本参量 (18)4.3.2 谐振腔的等效电路 (20)4.4基本阻抗匹配理论 (20)4.4.1匹配电路的概念和意义 (20)4.4.2射频电路匹配网络 (21)4.5 微带滤波器的设计与仿真 (21)4.5.1 微带滤波器的基本原理 (21)4.5.2 微带耦合滤波器的设计 (22)4.5.3 电路参数设置 (22)4.5.4 原理图仿真 (23)4.5.5 滤波器电路的优化 (25)4.6 本章小结 (28)参考文献： (29)第一章绪论1. 1课题研究的背景及意义根据电气和电子工程师协会对于频谱划分的方式，通常把频30MHz,--4GHz 的频段范围称为射频，另外处于300MHz～300GHz的频段范围。

射频分布参数滤波器的仿真实验4 分布参数滤波器的仿真实验目的：通过仿真理解和掌握微带滤波器的实现方法。

实验原理：1．理查德〔Richards〕变换通过理查德〔Richards〕变换，可以将集总元器件的电感和电容用一段终端短路或终端开路的传输线等效。

终端短路和终端开路传输线的输入阻抗具有纯电抗性，利用传输线的这一特性，可以实现集总元器件到分布参数元器件的变换。

2．科洛达〔Kuroda〕规那么科洛达〔Kuroda〕规那么是利用附加的传输线段，得到在实际上更容易实现的滤波器。

例如，利用科洛达规那么即可以将串联短截线变换为并联短截线，又可以将短截线在物理上分开。

在科洛达规那么中附加的传输线段称为单位元器件，单位元器件是一段传输线，当f = f0时这段传输线长为?8 。

3．设计步骤：λ/8传输线替换电感和电容3.根据Kuroda规那么将串联短线变换为并联短线4.反归一化并选择等效微带线实验内容：1.设计一个微带短截线低通滤波器，该滤波器的截止频率为4GHz，通带内波纹为3dB，滤波器采用3阶，系统阻抗为50Ω。

实验步骤：微带短截线低通滤波器设计举例下面设计一个微带短截线低通滤波器，该滤波器的截止频率为4GHz，通带内波纹为3dB，滤波器采用3阶，系统阻抗为50Ω。

设计微带短截线低通滤波器的步骤如下。

〔1〕滤波器为3阶、带内波纹为3dB的切比雪夫低通滤波器原型的元器件值为集总参数低通原型电路如图11.29所示。

〔2〕利用理查德变换，将集总元器件变换成短截线，如图11.30〔a〕所示，图中短截线的特性阻抗为归一化值。

〔3〕增添单位元器件，然后利用科洛达规那么将串联短截线变换为并联短截线，如图11.30〔b〕所示，图中短截线的特性阻抗为归一化值。

〔4〕与图11.29对应的微带短截线滤波电路如图11.30〔c〕所示，图11.30〔c〕中归一化特性阻抗已经变换到实际特性阻抗。

图11.29 集总参数低通原型电路图11.30〔a〕集总元器件变换成短截线的低通电路图11.30〔c〕微带短截线低通滤波电路 ADS仿真步骤： 1．创立原理图2．利用ADS的工具tools完成对微带线的计算下面利用ADS软件提供的计算工具tools，完成对微带短截线尺寸的计算。

实验四射频微波滤波器的设计仿真与测试一、实验目的1.掌握低通原型滤波器的结构；2.掌握最平坦和等波纹型低通滤波器原型频率响应特性；3.了解频率变换法设计滤波器的原理及设计步骤；4.了解利用微带线设计低通、带通滤波器的原理方法；5.掌握用ADS进行微波滤波器优化仿真的方法与步骤。

二、滤波器原理2.1滤波器的技术指标滤波器的技术指标有：中心频率，通带最大衰减，阻带最小衰减，通带带宽，插入损耗、群时延，带内纹波，回波损耗、驻波比。

2.2插入衰减法设计滤波器插损法是一种系统的综合方法，可高度地控制整个通带和阻带内的幅度和相位特性，可以计算出满足应用需求的最好响应。

如要求插损小，可用二项式响应；而切比雪夫响应能满足锐截止的需要；若可牺牲衰减率的话，则能用线性相位滤波器设计法获得好的相位响应。

插损法使滤波器性能提高的最为直接的方法便是增加滤波器的阶数，滤波器的阶数等于元件的个数。

2.3集总元件低通滤波器原型最平坦响应滤波器设计切比雪夫滤波器设计 :2.4滤波器的设计步骤（1）由衰减特性综合出低通原型；（2）再进行频率变换，变换成所设计的滤波器类型；（3）计算滤波器电路元件值(集总元件)；（4）微波结构实现电路元件，并用微波微波仿真软件进行优化仿真。

三、集总参数滤波器3.1 设计一LC切比雪夫型低通滤波器，截止频率为75MHz，通带内衰减为3dB，波纹为1dB，频率大于100 MHz，衰减大于20 dB，Z0=50Ω。

原理图：仿真波形：四、微波滤波器的实现微波频率下的集总元件滤波器会出现两个问题：第一，集总元件如电感或电容仅有有限值可供选择，且在微波频率下会存在不可避免的寄生频率效应；第二，滤波器中各元件间的距离不可忽略。

4.1 设计最平坦响应低通滤波器，通带内波纹系数小于2，截至频率4GHz，8GHz 处插入损耗必须大于15dB，阻抗50 。

原理图：由于电路工作频率高，不宜采用集总元件，需转换为分布参数元件。

射频滤波器的设计与仿真毕业设计首先，射频滤波器的设计需要明确设计要求和性能指标。

在本设计中，我们选择了一个带通滤波器作为研究对象，要求滤波器具有较好的通带特性和抑制带特性。

具体地，我们希望滤波器的通带范围为2GHz至4GHz，通带波纹小于1dB，抑制带最小衰减为20dB。

其次，射频滤波器的设计可以采用传统的网络理论方法，如电抗耦合法、串联法、并联法等。

在本设计中，我们选择了电抗耦合法进行设计。

电抗耦合法通过选择合适的电抗元件（电感和电容）来实现滤波器的频率响应。

具体地，我们根据设计要求选择了合适的电感和电容值，并通过计算和模拟来验证设计的有效性。

然后，射频滤波器的仿真可以借助于电磁仿真软件，如ADS、HFSS等。

在本设计中，我们选择了ADS软件进行滤波器的仿真。

ADS软件提供了丰富的射频元件模型和仿真工具，可以方便地进行滤波器的建模和仿真。

具体地，我们根据设计的电路图和元件参数，在ADS中建立了一个滤波器的电路模型，并通过参数优化和频率响应分析来验证设计的有效性。

最后，射频滤波器的设计与仿真还需要考虑实际的制造和调试过程。

在本设计中，我们将选择合适的电感和电容元件，并进行布局和连接的设计，以便实现滤波器的制造。

同时，在制造完成后，我们将进行实际的调试和测试，以验证滤波器的性能和指标是否满足设计要求。

总之，本毕业设计旨在通过设计和仿真一个射频滤波器，来探索射频滤波器的设计原理和仿真方法。

通过本设计，我们希望能够深入了解射频滤波器的工作原理和设计方法，并通过实际制造和调试来验证设计的有效性。

希望本设计能够为射频滤波器的设计与仿真提供一定的参考和指导。

2001.7 B ６０通信领域一向要求精确的频率控制和频率鉴别设计人员做了很多努力许多应用中都采用了石英晶体因为它们具有非常好的频率选择性在这一频率范围内在双向移动通信以及点对点射频通信晶体滤波器起到更为重要的作用在分立晶体滤波器中而单片滤波器中分立晶体滤波器可分为窄带宽带滤波器和极宽带滤波器分立谐振滤波器要比单片滤波器的设计更好分立晶体滤波器在设计时有更大的灵活性利用晶体静态电容设计出窄带晶体滤波器两种实现方式的优点和缺点与石英元件的物理特性和电路本身的性能有关介绍了中心频率为３０ＭＨｚ的分立晶体滤波器的设计频率稳定性以及衰减相关的精确参数此外并给出了滤波器的热性能分析中心频率３０ＭＨｚ１０ＫＨｚ无限衰减频率位于离中心频率１２个半带宽的地方８５ｐｐｍ选用了梯形滤波器（参见图１其中晶体工作于基本模式切割角度为３５ｏ１５相对晶体光轴当采用合适的石英晶体时的温度范围内２０ｐｐｍ的稳定度是很容易的即并联与串联电容的比值这只有采用ＡＴ切割方式才能达到而且这一配置方式轻微的不对称性并没有太大的影响在此应用中因此在电路中不需要采用微调电容器即使由于并联电容的射频滤波器的仿真和设计Simulation and Design of RF Filters2001.7 B ６１变化而造成所有峰值不精确重合此外因此晶体中的寄生振荡对这一配置影响也较小还允许采用具有相似阻抗的谐振器接近谐振频率时晶体可以利用串联的电阻Ｒ１此外还有一个并联电容Ｃ０对工作在３０ＭＨｚ左右的ＡＴ方式切割的晶体从表１和表２可以观察到这一结构是中心对称的滤波器仿真在建立样机前有很多程序可以采用从图２和图３我们可以看到仔细观察图２中的响应可以看到３ｄＢ带宽比要求的带宽稍微窄一些还有点轻微的不对称谐振器等效电路的电容比确定的最大带宽为图３示出了无限衰减频率位于离中心频率１２个半带宽的地方８０ｐｐｍ然而事先确定滤波器随温度变化的频率是非常重要的为确定滤波器的热性能为此必须包括晶体等效电路参数的热性能在－２０＋７０频率稳定度为为清楚起见）时的曲线以及在正常温度时的曲线这一温度图５示出了温度在工作范围内变化时以ｐｐｍ表示同时正如图４中看到的８５ｐｐｍ的晶体设计的滤波器大约变为对于其它情况图４给出的是最不利的情况为满足设计要求之所以选择这一网络类型是因为可以提供窄且稳定的带宽同时滤波器的温度变化要比晶体大为得到给定温度稳定性的滤波器钟灿涛。

基于CMOS工艺的高性能射频滤波器：体声波滤波器(BAW) Robert Aigner
【期刊名称】《世界电子元器件》
【年(卷),期】2003(000)005
【摘要】@@ 过去几年中,随着射频集成电路技术和系统结构的发展,移动电话中射频部分的很多分立器件已被替换.最为明显的就是接收机中分立的低噪声放大器(LNA)和中频(IF)滤波器已经被集成到射频集成电路中.可以预期各射频模块将逐步被集成到标准BiCMOS或CMOS集成电路中,但还是有几类射频元件的集成不太容易做到,其中就包括射频滤波器.
【总页数】4页(P38-41)
【作者】Robert Aigner
【作者单位】英飞凌科技公司
【正文语种】中文
【中图分类】TN92
【相关文献】
1.一种基于CMOS工艺射频有源滤波器的设计 [J], 高志强;喻明艳;叶以正
2.Qorvo推出高功率体声波（BAW）滤波器 [J],
3.基于0.18μm CMOS工艺的多标准射频滤波器 [J], 李国儒;李国林;李冬梅;李福乐;池保勇;张春
4.基于硅表面加工工艺的射频体声波滤波器研究 [J], 丛鹏;刘燕翔;任天令;刘理天
5.新型体声波（BAW）滤波器 [J],
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• 126•本文介绍了基于Ansoft 公司的Ansoft Designer 微波仿真软件，在射频电路设计中进行滤波器的设计建模仿真与验证。

选取了两款具有代表性的射频无源低通滤波器，根据频率频段的不同，包括集总参数和分布参数类型的不同元件建模仿真计算优化，并通过试验电路实际测试性能指标，验证仿真结果。

50Ω阻抗匹配微带线宽。

该线宽可通过仿真软件输入滤波器工作的频率范围，板材的介电常数、板材厚度等参数即可计算得出，W=1.1mm 。

建模的原理图模型如图1所示。

2.3 仿真结果将扇形短截线的尺寸参数和连接微带线的线宽和线长参数设基于Ansoft仿真软件实现射频滤波器的设计与应用中电科仪器仪表有限公司 陈 丽图1 2GHz低通滤波器原理图模型图2 2GHz低通滤波器仿真结果图3 2GHz低通滤波器实际测量结果硬件设计人员经常需要设计各种类型的滤波器，用以滤除信号通道中不需要的信号，可以通过常规技术或软件来设计，常规技术设计困难耗时，Ansoft Designer 微波仿真软件可有效快速的实现各种滤波器的建模及参数的仿真计算，提高了设计效率。

1 滤波器的类型模拟滤波器按功能分为低通、高通、带通和带阻滤波器。

在射频电路中设计滤波器时，频率高于500MHz 的频段，由于寄生电抗，采用集总参数元件电感、电容已不合适，需要使用分布参数元件实现，因此模拟滤波器根据频段以及制作工艺又衍生出微带线滤波器。

2 2GHz低通滤波器的设计应用2.1 设计目标输入输出阻抗为50Ω，带宽为2GHz ，滤波器插入损耗小于3dB ，带内波纹小于3dB ，4GHz 的阻带抑制大于60dB 。

2.2 原理图模型由于频率高于500MHz 的滤波器难于采用分立元件实现，工作波长与滤波器元件的物理尺寸相近，造成损耗并使电路性能恶化，需将集总参数元件变换为分布参数元件，这里采用4阶扇形微带短截线通过微带线级联。

短截线的电长度以及是开路还是短路，决定了是容性还是感性，电长度通过扇形的半径、角度和短截线的宽度等参数来设置。

基于射频技术的声光可调滤波器稳频优化软件设计基于射频技术的声光可调滤波器稳频优化软件设计射频（Radio Frequency，简称RF）技术在无线通信、雷达探测等领域有着广泛的应用。

而声光可调滤波器（Acoustic-Optic Tunable Filter，简称AOTF）则是一种能根据声波或光波的频率实现滤波功能的器件。

本文将介绍基于射频技术的AOTF稳频优化软件的设计原理和实现方法。

AOTF通过调节外加声波或光波的频率，可以实现对射频信号的滤波功能。

在AOTF中，关键的部件是压电晶体，它能将电信号转换为声波或光波，并控制其频率。

然而，由于多种因素的干扰，AOTF在长时间运行过程中容易产生频率漂移，从而降低滤波器的性能。

为了解决这一问题，我们设计了一种基于射频技术的声光可调滤波器稳频优化软件。

该软件通过监测AOTF的输出频率，实时对其进行校准，以确保其稳定在设计要求的频率范围内。

软件的设计思路如下：首先，通过接收射频信号并将其传输到AOTF进行滤波，得到滤波后的信号，并对AOTF的输出频率进行测量。

然后，使用频率比对算法将测量值与设定值进行比较，得到频率偏差。

根据频率偏差，软件通过反馈机制调整AOTF控制电压，使得AOTF的输出频率逐步接近设定值。

最后，经过多次迭代调整，AOTF的输出频率稳定在设定值附近。

在软件的具体实现中，我们采用了MATLAB编程语言，并通过射频接口控制AOTF的控制电压。

在每次迭代中，软件通过采样和数据处理算法，实时计算出目标频率与实际频率之间的偏差。

然后，通过反馈控制算法，计算需要调整的电压值，并将其作为命令发送给AOTF。

通过实际实验验证，我们发现该软件能够有效地优化AOTF的稳频能力。

无论是在长时间连续运行还是在频率变化较大的工作条件下，AOTF都能稳定地工作在设定频率。

相比之前的方法，该软件不仅大大提高了AOTF的滤波性能，而且具有更高的稳定性和可靠性。

总之，基于射频技术的声光可调滤波器稳频优化软件设计，为AOTF在射频应用领域中的稳定性提供了有效的解决方案。